Redis的I/O多路复用模型

一、Redis是单线程的，为什么还这么快？

• Redis是纯内存操作的，执行速度非常快。
• 采用单线程，避免不必要的上下文切换可竞争条件，多线程还要考虑线程安全问题。
• 采用I/O多路复用模型，非阻塞IO。

二、 解释一下I/O多路复用模型？

Redis是纯内存操作，执行速度非常快，它的性能瓶颈是网络延迟而不是执行速度，I/O多路复用模型主要就是实现了高效的网络请求。 首先了解一下下面的几个概念：

• 用户空间和内核空间
• 常见的IO模型
  • 阻塞IO(Blocking IO)
  • 非阻塞IO(Nonblocking IO)
  • IO多路复用(IO Multiplexing)
• Redis网络模型

1. 用户空间和内核空间

• Linux系统中一个进程使用的内存情况划分两部分：内核空间、用户空间。
• 用户空间只能只能执行受限的命令（Ring3），而且不能直接调用系统资源，必须通过内核提供的接口来访问。
• 内核空间可以执行特权命令（Ring0），调用一切系统资源。

Linux系统为了提高IO效率，会在内核空间和用户空间都加入缓冲区：

• 写数据时，要把用户缓冲数据copy到内核缓冲区，然后写入设备。
• 读数据时，要从设备读取数据到内核缓冲区，然后copy到用户缓冲区。

2. 阻塞IO（Blocking IO）

阻塞IO就是两个阶段都必须阻塞等待：

阶段一：

1. 用户进程尝试读取数据（比如网卡数据）。
2. 此时数据尚未到达，内核需要等待数据。
3. 此时用户进程也处于阻塞状态。

阶段二：

1. 数据到达并拷贝到内存缓冲区，代表已就绪。
2. 将内核数据拷贝到用户缓冲区。
3. 拷贝过程中，用户进程依然阻塞等待。
4. 拷贝完成，用户进程解除阻塞，处理数据。

3. 非阻塞IO（Nonblocking IO）

非阻塞IO的recvfrom操作会立即返回结果而不是阻塞用户进程。

阶段一：

1. 用户进程尝试读取数据（比如网卡数据）。
2. 此时数据尚未到达，内核需要等待数据。
3. 返回异常给用户进程。
4. 用户进程拿到error后，再次尝试读取。
5. 循环往复，知道数据就绪。

阶段二：

1. 将内核数据拷贝到用户缓冲区。
2. 拷贝过程中，用户进程依然阻塞等待。
3. 拷贝完成，用户进程解除阻塞，处理数据。

可以看到，非阻塞IO模型中，用户进程在第一个阶段是非阻塞的，但是第二个阶段是阻塞状态。虽然是非阻塞，但性能并没有得到提高。而且忙等机制会导致CPU空转，CPU使用率暴增。

4. IO多路复用（IO Multiplexing）

IO多路复用是利用单个线程同时监听多个socket，并在某个socket可读、可写时得到通知，从而避免无效的等待，充分利用CPU资源。

阶段一：

1. 用户进程调用select，指定要监听的socket集合。
2. 内核监听对应的多个socket。
3. 任意一个或多个socket数据就绪则返回readable。
4. 此过程中用户进程阻塞。

阶段二：

1. 用户进程找到就绪socket。
2. 依次调用recvfrom读取数据。
3. 内核将数据拷贝到用户空间。
4. 用户进程处理数据。

监听socket方式，通知的方式：

• select
• poll
• epoll（目前采用的方式）

1. select/poll方式监听socket select和poll只会通知用户进程有socket就绪，但是不确定具体是哪个socket，需要用户进程逐个遍历socket来确认。
2. epoll方式监听socket epoll则会在通知用户进程socket就绪的同时，把已就绪的socket写入用户空间。

三、Redis网络模型

Redis通过IO多路复用来提高网络性能，并且支持各种不同的多路复用实现，并且将这些实现进行封装，提供了同一个的高性能事件库。Redis网络模型就是使用I/O多路复用结合事件处理器来应对多个socket请求。

为了更好的提升性能，Redis 6.0之后使用了多线程。

• 命令回复处理器使用多线程处理回复事件，同时向多个client回复数据。
• 将命令的转换使用了多线程，但是执行命令时仍然是由主线程串行执行的，因为命令执行是基于内存的操作，并不会影响性能。